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北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成,讓中國人擁有了守護(hù)國門的金鑰匙!

2020-07-31 來源: 中科院格致論道講壇

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2020年7月31日上午10時30分,北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成暨開通儀式在人民大會堂舉行。北斗系統(tǒng)的發(fā)展,不僅與我們的日常生活息息相關(guān),更與我們的國家安全、社會進(jìn)步相掛鉤。因為每個國家都希望把自己國家的主權(quán)和國家的經(jīng)濟(jì)命脈,建立在自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)之上。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一把守護(hù)國門的金鑰匙,一定要握在自己人手中!

      以下內(nèi)容為中國科學(xué)院空天信息研究院研究員徐穎演講實錄:

      北斗系統(tǒng),這個名字從何而來呢?北斗七星。北斗七星是中華民族的指極星,也是中華民族的導(dǎo)航星,在很早的時候,人們就開始對北斗七星進(jìn)行觀測和利用。北半球的人們通常用北斗七星和北極星來辨別方向。

      在《史記·天官書》當(dāng)中就有記載:“分陰陽,建四時,均五行,移節(jié)度,定諸紀(jì),皆系于斗。”這里的“斗”指的就是北斗。在古代,有北斗七星為我們指引方向,今天我們也有北斗系統(tǒng)和我們的生活密切相關(guān)。

關(guān)于北斗的“3”的故事

      對于北斗系統(tǒng)來說,有一個數(shù)字非常重要,這個數(shù)字就是“3”。大家應(yīng)該都聽過一生二,二生三,三生萬物。要講清楚北斗系統(tǒng)的工作原理,就要先給大家講清楚“3”的故事。

      首先要介紹的是三球定位。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)最基本的定位原理叫作三球定位。我們同時有三顆衛(wèi)星,測量我和衛(wèi)星之間的距離,我就一定知道我的位置是以衛(wèi)星的位置為球心,以這個距離為半徑的球體上面。

      而三個球交匯于一點,這就是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的最基本的原理,我們把它叫作三球定位。但是實際上,因為我們還需要測量時間信息,所以我們至少需要四顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)最基本的定位。

      在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)中有三大組成。第一個是我們都非常熟悉的衛(wèi)星。

      第二個是地面站,有地面的監(jiān)測站、測定軌站等站點。

      第三個是終端,比如手機(jī),其實也是衛(wèi)星的一個終端。

      有些人在網(wǎng)上會問這樣一個問題:“從1983年陳芳允院士提出北斗一代開始,北斗系統(tǒng)已經(jīng)建了這么多年了,什么時候我們才能用上北斗系統(tǒng)呢?”其實在我們很多人的手機(jī)中已經(jīng)有了北斗系統(tǒng)。

      如果用的是華為的手機(jī),回去之后,可以在手機(jī)的應(yīng)用商店里面下載一個小軟件,叫北斗助手或者叫北斗伴。

      把這個軟件下載下來之后,找一個空曠的地方打開你的手機(jī),然后你就會發(fā)現(xiàn),在衛(wèi)星天頂視圖當(dāng)中,有帶著中國國旗的圖標(biāo)被點亮,那就說明你的手機(jī)中是有北斗系統(tǒng)在為你提供服務(wù)的。

      現(xiàn)在在華為、小米、魅族、三星等很多款手機(jī)中都有北斗系統(tǒng)。當(dāng)然如果用的是蘋果手機(jī),那不用試了,蘋果手機(jī)沒有使用北斗系統(tǒng)。但是我們也希望,在2020年北斗系統(tǒng)覆蓋全球之后,蘋果手機(jī)當(dāng)中也會有北斗系統(tǒng)。

      導(dǎo)航系統(tǒng)幫助我們的車輛從一個地方到另一個地方,但是事實上導(dǎo)航提供的服務(wù)不僅是定位,導(dǎo)航服務(wù)一般分為三類。

      第一類服務(wù)是給你一個精確的位置。這是大家最常用的,比如手機(jī)上的滴滴打車、微信的位置共享,都是基于導(dǎo)航的這一服務(wù)。
 

      第二類服務(wù)是可以給你一個非常精確的時間。從剛才講的衛(wèi)星導(dǎo)航的三球定位上來,我們需要測量我和衛(wèi)星之間的距離。一般在生活當(dāng)中,我們要測量兩個點的距離,我們可以拿一根尺子,就能夠測量兩個點的距離。
 

      但是用這個方式,能夠測量和衛(wèi)星之間的距離嗎?要拿一個多大的尺子,才能把我和衛(wèi)星連接在一起呢?在衛(wèi)星導(dǎo)航當(dāng)中,其實有一個小秘密,就是我們從來不直接測量距離,而是通過測量時間來測量距離。

      我們在衛(wèi)星上發(fā)射一個電磁波,然后測算這個電磁波從衛(wèi)星傳遞到我們之間的一個時間差。這個時間差乘上光速,就得到了距離。

      所以在衛(wèi)星導(dǎo)航當(dāng)中,我們是通過測時間來測距離的。這也是我們可以為大家提供精確時間的一個主要的原因。距離除以時間等于速度,我們可以得到速度。所以,衛(wèi)星導(dǎo)航的三種業(yè)務(wù)就是能夠給你精確的位置、精確的時間和精準(zhǔn)的速度。

      當(dāng)然,北斗系統(tǒng)在這三種業(yè)務(wù)之外,還有一種附加的業(yè)務(wù)——通信,它也是全世界唯一一個能夠用來做通信的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

      世界上不是只有北斗系統(tǒng)。目前,只有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的伽利略(GALILEO)和中國的北斗,這四大系統(tǒng)才能被稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),因為它們實現(xiàn)了全球覆蓋。
 

      除了這4個全球覆蓋的系統(tǒng)之外,目前世界上還有兩個區(qū)域定位系統(tǒng),日本的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)(QZSS)和印度的IRNSS系統(tǒng)。

      日本的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)在宣布提供服務(wù)的時候,網(wǎng)上就開始有文章說,日本的準(zhǔn)天頂,精度拳打GPS,腳踢北斗。但是事實上,準(zhǔn)天頂系統(tǒng)是一個區(qū)域定位的系統(tǒng),它最核心的點是依賴于GPS建立的。
 

      如果GPS不能用,那么準(zhǔn)天頂?shù)脑鰪?qiáng)功能就不能用,它就沒有辦法做到高精度、厘米級定位等一系列的功用。

      在全球的四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)當(dāng)中,現(xiàn)在用于導(dǎo)航的衛(wèi)星數(shù)量非常多,截止到2018年7月22日,所有能用的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)超過了100顆,還不包括我們的備份星和測試星。

      所以,其實天上是有很多衛(wèi)星的,而在民用服務(wù)中,也是把所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組合在一起使用的。
 

      GPS在1991年的時候就建成了,精度一直也很高。但是我們國家還需要專門建北斗系統(tǒng),俄羅斯還要建GLONASS系統(tǒng),北斗系統(tǒng)從1983年提出到現(xiàn)在,已經(jīng)走過30多年,我們?yōu)槭裁匆ㄟ@么多時間和精力來建北斗系統(tǒng)呢?

建北斗系統(tǒng)的原因

      以前我們在為北斗系統(tǒng)拍紀(jì)錄片的時候,編導(dǎo)曾經(jīng)說過這樣的一句話:衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一把守護(hù)國門的金鑰匙,自己家的這把金鑰匙,一定要握在自己人的手中,這就是為什么我們要建北斗系統(tǒng)。

      俄羅斯雖然經(jīng)歷了經(jīng)濟(jì)滑坡、蘇聯(lián)解體等一系列事件,但是他們依然在持續(xù)地更新和建設(shè)GLONASS系統(tǒng)。歐盟的伽利略系統(tǒng)建設(shè)之初經(jīng)歷了非常漫長的被美國強(qiáng)烈反對、歐盟內(nèi)部意見的不一致,在建設(shè)過程中,天上的原子鐘還徹底壞了一批。

      前一段時間伽利略系統(tǒng)還出現(xiàn)了全線的斷線,但他們還是在一直堅持發(fā)展伽利略系統(tǒng)。每一個國家都希望把自己國家的主權(quán)和國家的經(jīng)濟(jì)命脈,建立在自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)之上。

      可見,如果一個系統(tǒng)不是我國自主建設(shè)的,那我們對它其實是沒有任何掌控權(quán)的,它隨時可能會發(fā)生一些你所不知道的變化。這也就是為什么我們要建北斗系統(tǒng)的一個最主要的原因。

      在軍用方面,我們都是用北斗系統(tǒng)來保障國防安全的,但是在民用方面,目前是一個多系統(tǒng)聯(lián)合的趨勢。

      在你們的手機(jī)軟件當(dāng)中,找一下我剛才說的軟件,就會發(fā)現(xiàn),你的手機(jī)不僅用了北斗來為你進(jìn)行定位,也用了GPS 和GLONASS來進(jìn)行定位。在民用領(lǐng)域,各個導(dǎo)航系統(tǒng)是彼此兼容協(xié)調(diào)發(fā)展的,所以,北斗不僅是中國的北斗,也是世界的北斗。

北斗系統(tǒng)的發(fā)展

      北斗系統(tǒng)的發(fā)展,也經(jīng)歷了三段歷程,和“3”這個數(shù)字真的特別有緣。北斗一號系統(tǒng)是在2000年左右建成的,它只有兩顆星,它叫北斗一號,也叫北斗雙星。它主要是解決我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題。

      北斗二號系統(tǒng)是在2012年12月27日宣布提供服務(wù)的。它從北斗一號的有源系統(tǒng),變成了一個無源系統(tǒng),主要為我國和周邊亞太地區(qū)提供服務(wù)。

      北斗三號系統(tǒng),是在2018年12月27日宣布開始提供服務(wù)的,在2020年將會實現(xiàn)北斗三號系統(tǒng)的完全建設(shè)。北斗三號系統(tǒng)主要是從區(qū)域系統(tǒng)擴(kuò)展到了一個全球系統(tǒng)。

      北斗三號系統(tǒng)的建設(shè)過程也包括三步。2018年底,它主要是服務(wù)我國和“一帶一路”地區(qū),到2020年底的時候就會服務(wù)全球。

      北斗系統(tǒng)正處在全球組網(wǎng)的快速建設(shè)過程中。這是北斗系統(tǒng)的一個衛(wèi)星組成。北斗系統(tǒng)是30顆衛(wèi)星覆蓋全球,其中有3顆靜止軌道衛(wèi)星,24顆中軌道衛(wèi)星,3顆小傾角軌道衛(wèi)星。
 

      北斗系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域,重點區(qū)域是在我國和周邊地區(qū),實現(xiàn)的是全球覆蓋。

      北斗是一個開放的系統(tǒng),除了公開的服務(wù),還有授權(quán)的服務(wù)、廣域差分服務(wù)和位置報告服務(wù)。

      2020年之后,北斗系統(tǒng)在有了廣域差分的情況下,和GPS服務(wù)的性能是相當(dāng)?shù)?。在重點地區(qū),會有1~1.5米的精度,其實是比GPS的性能要高的。

      與北斗二號相比,北斗三號到底有什么新亮點呢?首先要講的是星間鏈路。顧名思義就是衛(wèi)星和衛(wèi)星之間是可連接的,能夠形成一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

      有星間鏈路之后,如果在地面站之間發(fā)生了摧毀性的損失,所有的地面站都沒有了,我們還可以用星間鏈路來實現(xiàn)衛(wèi)星的自主運行。所以,星間鏈路可以保障衛(wèi)星的可用性和穩(wěn)健性。

      其次北斗系統(tǒng)有高精度的氫原子鐘。北斗一號、北斗二號在建設(shè)過程中,當(dāng)時我們是準(zhǔn)備從瑞士進(jìn)口原子鐘的,瑞士人表做得很好,鐘做得也不錯。但是瑞士當(dāng)時提出,需要有一個歐洲對華的許可證。

      怎樣才能獲得這個許可證,通過什么方式才能獲得這個許可證,都沒有任何的約定。所以,后來在北斗二號系統(tǒng)的建設(shè)過程中,關(guān)鍵的核心攻關(guān)就是星載原子鐘技術(shù),北斗三號則使用了更高精度的氫原子鐘。它的精度可以做到110-15這么高,也就是說要過去很長很長時間,它的誤差才有一秒。

      這是北斗三號的另一個創(chuàng)新點。剛才講到了,從別的國家進(jìn)口原子鐘是不現(xiàn)實的,所以北斗系統(tǒng)有一個很重要的指標(biāo)叫作100%國產(chǎn)化。北斗系統(tǒng)所有芯片,所有核心器件,包括天線、射頻、基帶,都有一個國產(chǎn)化的指標(biāo)要求。

      我們都說北斗系統(tǒng)是一個獨立自主的系統(tǒng)。第一是它不依賴于任何別的系統(tǒng)而運行。第二,它所有的核心技術(shù)都是自己的知識產(chǎn)權(quán),不依賴于別國的核心技術(shù)而運行,這是大國重器的國產(chǎn)化。最后一個創(chuàng)新點是,北斗三號有一個搜救功能。北斗三號加入了海事搜救組織。

      以前伽利略系統(tǒng)的搜救過程是,你給伽利略衛(wèi)星發(fā)了一個搜救信號,然后你就開始等待。你不知道你的信號有沒有被收到,你也不知道,是不是會有人來救你。

      北斗系統(tǒng)在收到你的搜救信號之后,會給你一個反饋,告訴你信號已經(jīng)收到了,安心等待吧,很快就會有人來救你了。所以這也是北斗三號的一個升級功能。

      其實北斗系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些功能,它有很多“首次”,讓我們一起期待2020年北斗系統(tǒng)建設(shè)完成,正式開始為大家提供服務(wù)。

北斗系統(tǒng)的作用

      天上有這么多衛(wèi)星,衛(wèi)星導(dǎo)航在我的生活當(dāng)中,有什么作用呢?好像每天除了用它來打車,就沒有別的用處了。其實,在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)業(yè)內(nèi)有這樣的一句名言:衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用,只受制于人們想象力的限制。

      假設(shè)有一位A先生,假設(shè)他是做金融的。看一看他半天的生活,有多少是和衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的。
 

      作為現(xiàn)代手機(jī)重度依賴癥的患者,我早上起來第一件事情,就是給我的手機(jī)充電。事實上,在我們國家的電力系統(tǒng)當(dāng)中,都是用衛(wèi)星導(dǎo)航來為電站之間實現(xiàn)時間和頻率的同步的,以前用GPS,現(xiàn)在用北斗。

      如果電力系統(tǒng)不能實現(xiàn)時間和頻率同步,就有可能出現(xiàn)用電高峰期的時候,峰值疊加而導(dǎo)致整片區(qū)域斷電的情況。所以我們每天都用的電,其實是有衛(wèi)星導(dǎo)航為電力系統(tǒng)提供保障的。

      給手機(jī)充完電,打開手機(jī)之后,接下來就是吃飯。吃飯這件事情和衛(wèi)星導(dǎo)航有關(guān)嗎?你需要用衛(wèi)星導(dǎo)航,給你把米定位到嘴里嗎?其實不需要。但是衛(wèi)星導(dǎo)航確實和農(nóng)業(yè)密切相關(guān)。

      自動駕駛技術(shù)到今天一直沒有落地,但有一部分自動駕駛落地了,比如,自動駕駛的拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)收割機(jī)。所以,在智能農(nóng)業(yè)當(dāng)中,衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為自動駕駛提供了位置的保障。所以每天吃的米,也是離不開衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供的保障的。

      吃完飯以后就要看電視了,在看電視的時候,經(jīng)常會看到電視里邊的新聞報道,某些國家、地區(qū)之間動武了這樣的情況,導(dǎo)彈制導(dǎo)這件事情和衛(wèi)星導(dǎo)航也是有關(guān)系的。

      有時候我們也經(jīng)常會在電視里面看到,與動物保護(hù)有關(guān)的新聞,動物保護(hù)這件事情和衛(wèi)星導(dǎo)航也有關(guān)系,說要把一個芯片,安在動物身上。

      其實北斗系統(tǒng)確實給長頸鹿、藏羚羊、熊貓都做過這樣的芯片。比如,藏羚羊生活在無人區(qū),我們就需要用這樣的芯片為它提供保護(hù)服務(wù)。

      看完電視之后要去上學(xué),我們出門打車這個事情和衛(wèi)星導(dǎo)航也有關(guān)系。這是大家最熟悉的應(yīng)用。

      我們在用滴滴打車的時候,有時候也會看到老人或者兒童走失的信息,讓你如果發(fā)現(xiàn)線索要及時上報。

      老人兒童走失這件事情和衛(wèi)星導(dǎo)航也有關(guān)系,因為北斗系統(tǒng)曾經(jīng)做過老少關(guān)愛,給小朋友們做過卡,做過鞋,做過手表,如果發(fā)現(xiàn)老人和兒童走失,向系統(tǒng)提出請求,它會給你返回走失者最近一次出現(xiàn)的位置。

      在打車之后,車輛行駛在路上,有時候會經(jīng)過高架橋,橋梁的穩(wěn)建性和衛(wèi)星導(dǎo)航也有關(guān)系,事實上,在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,有一個很重要的應(yīng)用,叫作形變監(jiān)測。

      就是我們會用衛(wèi)星導(dǎo)航的接收機(jī),來觀察這個橋是不是已經(jīng)發(fā)生了一些微小的變化。如果它發(fā)生了變化,就需要及時對它進(jìn)行維護(hù),以避免發(fā)生危險。

      這個應(yīng)用還可以用在山體滑坡、泥石流、鐵軌的路基沉降的監(jiān)測上面,都是跟衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的。大家有時候會在立交橋上看到特別大的貨車,我們把它叫作“兩客一危”系統(tǒng),就是危險品車輛和大型客車。

      我們國家其實做過“兩客一危”的項目,要求在這樣的車上,強(qiáng)制裝上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),以保障公共安全。

      假設(shè)現(xiàn)在到機(jī)場了,在飛機(jī)的精密進(jìn)近的過程當(dāng)中,都是需要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來保障安全的。所以我們每次安全的出行,乘坐飛機(jī),都有衛(wèi)星導(dǎo)航在為你提供保障。

      再回到這位先生的職業(yè)上來。他是一個做金融的先生。其實,在金融的結(jié)算當(dāng)中,我們通常會通過衛(wèi)星導(dǎo)航為金融結(jié)算提供非常精確的時間。因為在金融結(jié)算當(dāng)中,如果結(jié)算的時間差出去一毫秒,結(jié)算的金額可能會差出去好幾千萬美元。

      這也就是為什么衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對于民用也非常重要。除了軍事當(dāng)中的打擊、精確制導(dǎo)需要衛(wèi)星導(dǎo)航之外,在民用方面,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)系著國計民生,電力、金融、通信、天氣……衛(wèi)星導(dǎo)航一直在各個領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用。

      未來是否還有北斗四號和北斗五號其實我們不知道,但是我們正在做導(dǎo)航的“未來”,它叫作中國國家PNT體系。北斗系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展,而且在2020年就會完成建設(shè)正式走向應(yīng)用,但是它還有一些覆蓋不到的區(qū)域。

      比如在室內(nèi),導(dǎo)航系統(tǒng)是沒有信號的,在地下,導(dǎo)航系統(tǒng)也是沒有信號的。在水下,現(xiàn)在只能利用聲吶導(dǎo)航。我們希望能夠構(gòu)建一個以北斗為核心的中國國家PNT體系,能夠真正實現(xiàn)我們說的5A,就是任何人,在任何時間,在任何地點,能夠用他所使用的任何導(dǎo)航手段,實現(xiàn)其所想要達(dá)到的任何導(dǎo)航服務(wù)。

      這就是我們所努力的未來,雖然未來是未知的,但是我相信在科研人員的努力下,我們國家北斗系統(tǒng)的未來一定可以被大家遇見,而且未來一定是光明的。





(責(zé)編:梅亞川)